DE69415410T2

DE69415410T2 - Magnetische Kernresonanz-Sonde mit Oszillator-Regelkreis

Info

Publication number: DE69415410T2
Application number: DE69415410T
Authority: DE
Inventors: Henri F-38700 Corenc Glenat
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1993-06-24
Filing date: 1994-06-22
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: EP0631150A1; FR2707014A1; EP0631150B1; CA2125825A1; DE69415410D1; US5528143A; FR2707014B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung hat eine magnetische Kernresonanzsonde mit Oszillator-Regelkreis zum Gegenstand. Sie findet eine Anwendung bei der genauen Messung von Magnetfeldern, insbesondere des Erdmagnetfelds.

Stand der Technik

Die erfindungsgemäße Sonde ist von bekannter Art, z. B. beschrieben in den französischen Patentanmeldungen FR-A-1 447 226 und FR-A-2 098 624. Das Funktionsprinzip dieser Sonden wird in der Folge kurz in Erinnerung gerufen.
Wenn eine flüssige Probe, deren Atomkerne eine magnetisches Moment und ein Impulsmoment nicht-null haben, einem Magnetfeld ausgesetzt wird, haben die magnetischen Kernmomente die Tendenz, sich parallel oder antiparallel zu dem Feld auszurichten. Die Energiedifferenz zwischen diesen Zuständen definiert eine magnetische Kernresonanz oder eine Kernresonanzfrequenz, die normalerweise in den Bereich der Niederfrequenzen fällt, in der 1000Hz-Größenordnung.
Mit den üblichen Felder bleibt die Gesamtkernpolarisation (positiv oder negativ), die die Probe aufweist, jedoch schwach und nur schwer zu detektieren.
Der OVERHAUSER-ABRAGAM-Effekt ermöglicht, diese Polarisierung wesentlich zu erhöhen. Zu diesem Zweck löst man eine geeignete paramagnetische Substanz in einem Lösungsmittel auf, wobei diese Substanz so gewählt wird, daß sie ein nichtpaariges Elektron besitzt, das ein angeregtes elektronisches Niveau erzeugt, das eine hyperfeine Struktur mit vier Teilniveaus aufweist. Generell befindet sich die Pumpfrequenz, die ermöglicht, die Substanz auf eines dieser vier Teilniveaus zu bringen, in dem Bereich der Hochfrequenzen in der Größenordnung von einigen zehntausend Megahertz.
Die dipolare Kopplung zwischen dem Elektronenspin der derart angeregten paramagnetischen Substanz sowie dem Kernspin des Lösungsmittels erhöht wesentlich die Polarisation dieses letzteren. Nach dem angeregten Elektronenübergang begünstigt man die positive Kernpolarisation oder die negative Kernpolarisation des Lösungsmittels.
Diese Technik wird noch durch die Anwendung eines "Doppeleffekts" verbessert. Eine erste radikalartige Lösung (d. h. eine Lösung mit einer paramagnetischen Substanz) wird einer Hochfrequenz ausgesetzt, die das Elektronenniveau sättigt, das die positive Polarisation der Lösung begünstigt, während eine zweite radikalartige Lösung einer Hochfrequenz ausgesetzt wird, die das Elektronenniveau sättigt, das die negative Polarisation der Lösung begünstigt.
Im ersten Fall wird ein Anregungssignal mit der auf die Probe angewandten Kernresonanzfrequenz durch diese absorbiert, während im zweiten Fall ein Anregungssignal mit dieser selben Frequenz eine stimulierte Emission mit der Resonanzfrequenz verursacht. Entnahmewicklungen, angeordnet um die erste und die zweite Lösung, liefern dann Spannungen derselben Frequenz, aber mit umgekehrten Phasen. Ein Anschluß an einen Differentialverstärker ermöglicht deren Summierung. Alle in diese Wicklungen induzierten Störsignale mit derselben Phase werden annuliert.
Eine solche Doppeleffektsonde kann mit zwei verschiedenen Lösungen und einer einzigen Anregungsfrequenz funktionieren, vorausgesetzt die Absorptionsspektren der beiden Lösungen sind so zueinander versetzt, daß die einzige Frequenz der positiven Polarisation der einen und der negativen Polarisation der anderen entspricht.
Aber eine Doppeleffektsonde kann auch mit ein und derselben Lösung funktionieren, verteilt auf zwei Proben, indem man auf diese beiden Proben zwei unterschiedliche Frequenzen anwendet, um die beiden Teilniveaus der paramagnetischen Substanz zu sättigen.
Schließlich kann durch eine letzte Verbesserung das durch die Sonde gelieferte Signal, das die Kernresonanzfrequenz hat, als Anregungssignal der Proben wiedereingespeist werden in eine Schleifenschaltung, die dann als Oszillator funktioniert. Man erhält dann eine Sonde des Typs "Spinkopplungsoszillator".
In den beigefügten Fig. 1 bis 3 ist diese bekannte Technik dargestellt.
In der Fig. 1 sieht man eine Sonde mit einer ersten Flasche 1 mit positiver Polarisation und ihrer Niederfrequenzwicklung 2, eine zweite Flasche 3 mit negativer Polarisation und ihrer Niederfrequenzwicklung 4, einen einzigen Hochfrequenzresonator 5, der die beiden Flaschen umgibt, und einen Hochfrequenzgenerator 6, der diesen Resonator versorgt. Die beiden Wicklungen 2 und 4 sind entgegengesetzt in Reihe geschaltet und verbunden mit dem positiven und dem negativen Eingang eines Differentialverstärkers 7, dessen Ausgang über einen mit 8 bezeichneten Niveauregler rückgekoppelt ist auf die Niederfrequenzwicklungen, wobei die Kopplung durch eine Abgleichwiderstandbrücke 9 erfolgt.
Die Frequenz des durch einen solchen Oszillator gelieferten Signals ist gleich der Kernresonanzfrequenz, die direkt proportional zum Umgebungsmagnetfeld ist, wobei der Proportionalitätsfaktor gleich dem gyromagnetischen Verhältnis der Atomkerne ist.
Die Fig. 2 zeigt zwei Kernsignale SN, erhalten von zwei verschiedenen Lösungen A und B, in Abhängigkeit von der Hochfrequenz F. Für eine Lösung TANO N 15, deuteriert mit M/1000 in Dimethoxethan (DME) mit 8% Wasser (Lösung A) findet man einen ersten Übergang bei 57,60 MHz und einen zweiten Übergang bei 58,90 MHz. Für dasselbe Radikal, aber gelöst in Methanol (Lösung B), findet man 58,90 MHz für den ersten Übergang und 60,50 MHz für den zweiten.
Diese Charakteristika sind vorteilhaft, denn sie ermöglichen, mit einem einzigen Frequenzwert (58,90 MHz) zwei entgegengesetzte Übergänge zu sättigen und die Umkehrung bzw. Inversion der makroskopischen Resultierenden in einer der Lösungen bezüglich der anderen zu erhalten.
Zahlreiche Ausführungsarten dieser Sonden sind in den zwei schon genannten Dokumenten beschrieben sowie in FR-A-2 583 887, FR-A-2 610 760 und FR-A-2 658 955.
Beispielsweise stellt die Fig. 3 eine Sonde dar, die eine Flasche 10, z. B. aus Pyrex, mit einer kugeligen Form umfaßt (wobei auch eine konische, zylindrische oder andere Form möglich ist). Ein zentrales Rohr 12, ebenfalls aus Pyrex, ist auf der Achse der Sonde angeordnet. Die kugelige Flasche 10 ist außen mit einer leitenden Schicht 14 überzogen, z. B. einer Silberanstrichfarbe, getempert bei 550ºC. Diese Schicht muß nicht durchgehend sein, sondern kann in Sektoren (z. B. 1 bis 8) unterteilt sein, um bei der Verschiebung der Sonde in dem zu messenden Feld die Bildung von Wirbelströmen zu vermeiden. Das zentrale Rohr 12 enthält einen hohlen leitenden Zylinder 16, z. B. aus Silber, der der zentrale Kern des Resonators ist und der an die leitende kugelige Fläche 14 durch unmagnetische Kondensatoren 18 angeschlossen ist. Diese Kondensatoren sind verstellbar, um eine Frequenzregelung des derart gebildeten Resonators zu ermöglichen.
Dieser Resonator ist an ein Koaxialkabel 20 mit einer Impedanz von z. B. 20 Ohm angeschlossen, das durch einen Außenleiter 21 und einen Innenleiter 22 gebildet wird. Der Außenleiter 21 ist mit dem Außenleiter 14 des Resonators verbunden und der Innenleiter 22 mit dem zentralen Kern 16. Eine Schleife 24 ermöglicht eine Anpassung des Resonators an die Impedanz des Kabels (z. B. 50 Ohm), indem sie den Außenleiter 21 des Kabels mit dem zentralen Kern 16 verbindet.
Der Resonator ist vollständig umgeben von zwei Wicklungen 26, 28, die innen eine Kugelkalottenform aufweisen und außen eine Treppenform (wobei die wenig aktiven Zonen weggelassen wurden, um ein übermäßiges Gewicht zu vermeiden). Die beiden Wicklungen 26, 28 sind von identischer Form und symmetrisch angeordnet in bezug auf die Mittelebene der Sonde; und sie sind entweder in Reihe oder entgegesetzt in Reihe geschaltet.
Bei anderen Ausführungsarten kann der Resonator zwei durch einen einzigen Generator versorgte Flaschen oder auch zwei verschiedene Hochfrequenzgeneratoren umfassen, die zwei auf zwei unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmte Resonatoren versorgen.
Unabhängig von der benutzten Variante weisen diese Sonden der vorhergehenden Technik Nachteile auf.
Der erste Nachteil ist mit einem Gleiten der Abstimmfrequenz verbunden, das sich durch einen variablen Anteil stationärer Wellen ausdrückt. Daraus resultiert eine Schwankung der in den Resonator abgestrahlten Leistung, was eine Verschlech terung der Leistungen der Sonde mit sich bringt (Auftreten einer Anisotropie, Sinken des Rauschabstands, schlechtes Funktionieren des Eingangsdifferentialverstärkers). Die Ursachen dieses Gleitens der Abstimmfrequenz des Resonators sind zweifach:
a) Die Kondensatoren, die an der Abstimmung des Resonators auf die Frequenz des Hochfrequenzgenerators beteiligt sind, haben keinen sehr kleinen Temperaturkoeffizienten (0± 20 ppm/ºC); das schon erwähnte Dokument FR-A-2 658 955 schlägt vor, eine verteilte Abstimmkapazität zu verwenden, um dieses Problem teilweise zu lösen, jedoch haben neue Verbesserungen zur Reduzierung des Verbrauchs (Erhöhung des Gütefaktors bis auf ungefähr 500) dieses Problem neu entstehen lassen;
b) die geometrischen Dimensionen der den Resonator bildenden Elemente variieren: Pyrex-Flasche, Silberabscheidung, Lötungen, Zentralkern, Ausgangsanschlüsse bzw. -belegungen (pattes de sortie) der Kondensatoren oder Adaptationsschleife, und sind beteiltigt an dem Gleiten der Abstimmfrequenz des Resonators.
Ein zweiter Nachteil betrifft die Herstellungsschwierigkeiten. Aufgrund der Veränderungen der Dimensionen von einem Resonator zum anderen ist es schwierig, die für eine bestimmte Abstimmfrequenz benutzte Kapazität zu reproduzieren. Außerdem ist die Toleranz bezüglich der Kapazitäten nicht eng genug (±5 bis ±10). Man benötigt eine Genauigkeit von 1/1000, um die Frequenz des Resonators einzustellen auf die durch den Hochfrequenzgenerator gelieferte Frequenz (mit einer Genauigkeit von ±1kHz auf 60 MHz).
Ein letzter Nachteil kommt schließlich von dem Wirkungsgrad des Hochfrequenzgenerators. Die Verbesserungen an dem Resonator haben ermöglicht, den Verbrauch des Resonators deutlich zu senken. Die nötige Leistung ist jetzt in der Größenordnung von einigen zehn Milliwatt. Unter diesen Bedingungen ist es sehr schwierig oder sogar unmöglich, einen guten Wirkungsgrad zu erzielen (er bleibt unter 20%), was nicht erlaubt, die Verbesserung des Resonators voll auszunützen.
Die vorliegende Erfindung hat genau die Aufgabe, alle diese Nachteile zu beseitigen.

Darstellung der Erfindung

Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung vor, den Hochfrequenzgenerator durch Einrichtungen zu ersetzen, die einen Oszillator-Regelkreis bilden, der automatisch mit der Resonanzfrequenz des Resonators gesteuert wird.
Diese Einrichtungen umfassen eine Entnahmeschleife, die sich wenigstens teilweise in dem Resonator befindet, und einen Breitband-Hochfrequenzverstärker mit einem Eingang, der durch einen Eingang mit der genannten Schleife durch einen Koaxialleiter verbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Versorgungskoaxialleiter des Resonators verbunden ist.
Da aufgrund seines Aufbaus mit der Resonanzfrequenz des Resonators gesteuert, versorgt der derart gebildete Oszillator den Resonator notwendigerweise mit der richtigen Frequenz, unabhängig von den Abweichungen, den Schwankungen, den Veränderungen diversen Ursprungs.
Bei der vorhergehenden Definition muß man verstehen, daß der fragliche Resonator keinesfalls weder auf eine Form, noch auf eine Flasche, noch auf eine spezielle Lösung begrenzt ist. Er kann eine oder mehrere Flaschen umfassen, die eine oder mehrere radikalartige Lösungen enthalten.
Bei einer vorteilhaften Variante ist der Verstärker mit automatischen Verstärkungskontrolleinrichtungen verbunden.
Bei einer anderen vorteilhaften Variante umfaßt die Sonde außerdem Phasenverschiebungseinrichtungen, eingefügt zwischen den Entnahme-Koaxialleiter und den Eingang des Verstärkers.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

- Die Fig. 1, schon beschrieben, stellt schematisch eine magnetische Kernresonanz-Sonde nach der vorhergehenden Technik dar;
- die Fig. 2, schon beschrieben, zeigt die Veränderungen eines Kernsignals für zwei unterschiedliche radikalartige Lösungen;
- die Fig. 3, schon beschrieben, zeigt eine Ausführungsart eines bekannten Resonators mit einer einzigen Flasche;
- die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsart einer erfindungsgemäßen Sonde;
- die Fig. 5 zeigt die Form der Resonanzlinien für zwei unterschiedliche Frequenzen;
- die Fig. 6 zeigt eine Eichschaltung der Verstärkung des Verstärkers mit offener Schleife, betrifft aber nicht die vorhergehende Erfindung;
- die Fig. 7 zeigt eine erste mögliche Position der Entnahmeschleife;
- die Fig. 8 zeigt eine zweite mögliche Position der Entnahmeschleife;
- die Fig. 9 zeigt eine kompakte Ausführungsart einer Doppelfunktionsschleife (Anpassung, Entnahme);
- die Fig. 10 zeigt eine Schleife, die um ihre Achse schwenken kann.

Detaillierte Darstellung von Ausführungsarten

Die in der Fig. 4 dargestellt Sonde umfaßt einen Resonator mit einer einzigen Flasche wie in Fig. 3 (die identischen Bezugszeichen in diesen beiden Figuren bezeichnen die gleichen Elemente). Jedoch umfaßt die Sonde der Fig. 4 erfindungsgemäß eine Entnahmeschleife 40, die sich in dem Resonator befindet und mit einem Koaxialleiter 50 verbunden ist, der einen an Masse gelegten Außenleiter 51 und einen Innenleiter 52 umfaßt. Der Koaxialleiter 50 ist mit einer Phasenregelschaltung 54 verbunden, die mit dem Eingang E eines Breitband-Hochfrequenzverstärkers 56 verbunden ist. Der Ausgang S dieses Verstärkers ist mit dem Versorgungs-Koaxialleiter 20 des Resonators verbunden. Außerdem sieht man, parallel zum Verstärker, eine Schaltung 58 zur automatischen Kontrolle der Verstärkung, die zur Leistungssteuerung des Resonators dient.
Der Betrieb dieser Vorrichtung erfolgt, indem die Schleife 40 mittels Induktion einen Teil des in dem Resonator vorhandenen elektromagnetischen Feldes entnimmt. Das entnommene Signal wird durch den Verstärker 56 verstärkt und dann wieder eingespeist in den Resonator. Um die eventuellen Längendifferenzen zwischen den beiden Koaxialleitern 20 und 50 oder jeden anderen Phasenverschiebungstyp zu kompensieren und eine Wiedereinspeisung mit einer richtigen Phase zu garantieren, wurde der Phasenschieber 54 vorgesehen.
Die Einrichtungen, gebildet durch den Resonator 14-16, die Schleife 40, den Leiter 50, den Phasenschieber 54, den Verstärker 56, den Leiter 20 und wieder den Resonator 14-16, bilden eine Schleife, die nur auf der Resonanzfrequenz des Resonators schwingen kann. Der Anteil stationärer Wellen ist also und sogar infolgedessen immer null, und dies unabhängig von der Temperatur, der Position des Resonators in dem Raum, der Position der Dilatationsblase, etc....
Die Fig. 5 zeigt das Verhalten des Hochfrequenzspektrums einer radikalartigen Lösung TANO N15, deuteriert mit M/1000 in Tetrahydrofuran (THF) als Lösungsmittel. Das HF-Spektrum zeigt wieder zwei Linien mit 56,4 MHz und 58 MHz, breit genug, um eine relativ große Frequenzverschiebung von ±100 kHz zuzulassen, die nur ein schwaches Absinken der Amplitude des Kernsignal zur Folge hat (ungefähr 3%). Außerdem wurde verifiziert, daß eine HF-Anregungsfrequenzverschiebung der Übergänge (±100 kHz) die Präzessionsfrequenz (LARMOR-Frequenz überhaupt nicht beeinflußt und sich auch nicht durch eine Geräuscherhöhung ausdrückt.
Nur zur Erläuterung hat der Anmelder einen Kugelresonator mit einem Durchmesser von 74 mm hergestellt, mit Koaxialleitern mit einer Impedanz von 50 Ohm. Die Abstimmkondensatoren hatten einen festen Wert. Die Entnahmeschleife hatte eine Länge von 20 mm und ein Breite von 3 mm.
Die Fig. 6 zeigt eine Anordnung mit offener Schleife, die ermöglicht, die Leistung zu messen, die durch die in dem Resonator angeordnete Schleife entnommen wurde. Der zweite Koaxialleiter 50 ist mit einem Wattmeter 62 verbunden und endet mit einer angepaßten Last 60. Der Verstärker 56 wird durch ein HF- Aufbereitungsteil 64 versorgt.
Die entnommene Leistung, die gemessen wurde, beträgt 25 mW bei einer eingespeisten Leistung von 100 mW, abgestrahlt in den Resonator. Diese Leistung ist bei weitem ausreichend, um die HF- Schwingung aufrechtzuerhalten.
Die Fig. 7 und 8 zeigen, wie man die Entnahmeschleife 40 in dem Resonator anordnen kann. In der Fig. 7 befindet sich diese Schleife zwischen dem leitenden Kern 16 und dem Innenrohr 12 der Flasche. In Fig. 8 befindet sich ein Rohr 41, z. B. aus Pyrex, in der radikalartigen Lösung und die Entnahmeschleife 40 befindet sich im Innern des Rohrs 41.
Die Fig. 9 zeigt eine Herstellungsart, wo eine einzige Wicklung 70 zugleich als Adaptationsschleife und als Entnahmeschleife dient. Diese Wicklung 70 umfaßt zwei Windungen mit einem Mittelpunkt 71. Die beiden Windungen sind parallel mit dem ersten Koaxialleiter 20 und durch den Mittelpunkt 71 mit dem Innenleiter 50 des zweiten Koaxialleiters verbunden.
Die Fig. 10 schließlich zeigt eine Schleife 40, gebildet durch zwei parallele Adern 43, 45, wobei die Schleife um ihre Längsachse schwenken kann. Dieses Schwenken ermöglicht, die Kopplung mit dem Hohlraum bzw. Resonator zu regeln bzw. einzustellen. Eine andere Art der Kopplungseinstellung besteht darin, die Schleife parallel zu sich selbst zu verschieben, so daß sie mehr oder weniger weit in den Resonator eintaucht.

Claims

1. Magnetische Kernresonanz-Sonde, umfassend:

- wenigstens einen Hochfrequenzresonator (14, 16) mit wenigstens einem Kolben (10, 12) mit wenigstens einer radikalartigen Lösung (30),

- einen ersten, mit dem Resonator verbundenen Koaxialleiter (20), und

- Versorgungseinrichtungen dieses ersten Koaxialleiters (20) mit der Resonanzfrequenz des Resonators (14, 16),

wobei diese Sonde dadurch gekennzeichnet ist, daß die Versorgungseinrichtungen gebildet werden durch eine leitende Entnahmespule (40), die wenigstens teilweise in dem Resonator (14, 16) angeordnet ist, und einen Breitband-Hochfrequenzverstärker (56) mit einem Eingang (E), der durch einen zweiten Koaxialleiter (50) mit der genannten Schleife (40) verbunden ist, und einen Ausgang (S), verbunden mit dem ersten Koaxialleiter (20), wobei die Anordnung aus Verstärker (56), erstem Koaxialleiter (20), Resonator (14, 16), Entnahmespule (40) und zweitem Koaxialleiter (50) einen durch die Resonanzfrequenz des Resonators (14, 16) gesteuerten Oszillator-Regelkreis bildet.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinrichtungen außerdem Einrichtungen (58) zur automatischen Kontrolle der Verstärkung des Verstärkers (56) umfassen.

3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinrichtungen außerdem Phasenverschiebungseinrichtungen (54) umfassen, eingeschaltet zwischen den zweiten Koaxialleiter (50) und den Eingang (E) des Verstärkers (56).

4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben ein zylindrisches Innenrohr (12) und eine Außenwand (10) umfaßt, wobei der Resonator einerseits durch einen leitenden Kern 16 gebildet wird, der das Innenrohr (12) des Kolbens einnimmt, und andererseits durch eine leitende Schicht (14), abgeschieden aur der Außenwand des Kolbens, wobei der leitende Kern (16) und die leitende Schicht (14) auf der einen Seite der Sonde mit wenigstens einem Kondensator verbunden ist und auf der anderen, über eine Impedanzanpassungsschleife (24), mit dem ersten Koaxialleiter (20).

5. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmespule (40) zwischen dem leitenden Kern (16) und dem Innenrohr (12) des Kolbens angeordnet ist.

6. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmespule (40) in einem Rohr (41) angeordnet ist, das in die radikalartige Lösung zwischen dem zylindrischen Innenrohr (12) und der Außenwand (10) eindringt.

7. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmespule (40) durch zwei leitende Adern (43, 45) gebildet wird, die sich parallel zueinander erstrecken, wenigstens teilweise in den Resonator eingeführt und mit dem zweiten Koaxialleiter (50) verbunden.

8. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeschleife (40) um eine zu den beiden Adern (43, 45) parallele. Achse schwenken kann.

9. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeschleife und die Adaptionsschleife durch dieselbe Wicklung (70 gebildet werden, die einen Mittelpunkt (71) umfaßt.

10. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeschleife einen Translationsbewegung auf einer zu den beiden Adern (43, 45) parallelen Achse ausführen kann.